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Methodenartikel

Darstellende Behavioral Aufgaben bei Patienten mit Hirnelektroden

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DOI:

10.3791/51947

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2. Oktober 2014

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1Department of Neurosciences, Cleveland Clinic Foundation, 2Epilepsy Center, Cleveland Clinic Foundation, 3Department of Neurosciences and Center for Neurological Restoration, Cleveland Clinic Foundation, 4Department of Biomedical Engineering, Johns Hopkins University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Patienten mit intrakraniellen Elektroden implantiert bieten eine einzigartige Gelegenheit, um neurologische Daten aus mehreren Bereichen des Gehirns aufzeichnen, während der Patient führt Verhaltensaufgaben. Hier präsentieren wir ein Verfahren zur Aufzeichnung von implantierten Patienten, die reproduzierbar an anderen Institutionen mit Zugang zu dieser Patientengruppe sein kann.

Zusammenfassung

Patienten mit Stereo-Elektroenzephalographie (SEEG) Elektrode, subduralen Gitterelektrode oder Tiefe Implantate haben eine Vielzahl von Elektroden in verschiedenen Bereichen des Gehirns für die Lokalisierung ihrer Beschlagnahme Fokus und eloquent Bereiche implantiert. Nach der Implantation ist der Patient im Krankenhaus bleiben, bis der pathologischen Bereich Gehirn gefunden wird, und gegebenenfalls reseziert. Während dieser Zeit bieten diese Patienten eine einzigartige Gelegenheit, die Forschungsgemeinschaft, weil eine beliebige Anzahl von Verhaltensparadigmen durchgeführt, um die neuronalen entdecken werden, dass Führungsverhalten korreliert. Hier präsentieren wir eine Methode zur Aufzeichnung der Hirnaktivität von Hirnimplantaten als Subjekte führen eine Verhaltensaufgabe entwickelt, um die Entscheidungsfindung und Belohnung Codierung zu bewerten. Alle elektrophysiologischen Daten aus den intrakraniellen Elektroden während der Verhaltens Aufgabe aufgezeichnet, so dass für die Untersuchung der in einer Funktion zum Zeitpunkt beteiligt vielen Bereichen des Gehirns Skalen relevanten Verhalten.Darüber hinaus und im Gegensatz zu Tierversuchen menschlichen Patienten kann eine Vielzahl von Verhaltens Aufgaben schnell zu lernen, so dass die Fähigkeit, mehr als eine Aufgabe in der gleichen Person oder zur Durchführung von Kontrollen durchzuführen. Trotz der vielen Vorteile dieser Technik für das Verständnis der menschlichen Gehirnfunktion, gibt es auch methodische Einschränkungen, die wir diskutieren, einschließlich der Umweltfaktoren, schmerzstillende Wirkung, Zeitdruck und Aufnahmen von erkrankten Gewebe. Dieses Verfahren kann leicht von jedem Institut, das intrakranielle Einschätzungen führt umgesetzt werden; bietet die Möglichkeit, menschliche Gehirnfunktion zu untersuchen direkt beim Verhalten.

Einleitung

Epilepsie ist eine der häufigsten Erkrankungen des Gehirns, gekennzeichnet durch chronisch wiederkehrende Anfälle von starken elektrischen Entladungen von Neuronengruppen resultieren. Epilepsie betrifft etwa 50 Millionen Menschen weltweit und etwa 40% aller Menschen mit Epilepsie haben hartnäckige Anfälle, die nicht vollständig durch die medizinische Therapie 1 gesteuert werden kann. Operation kann der Anfallsfreiheit führen, wenn die Hirnareale für die Erzeugung von Anfällen (der epileptogenen Zone - EZ) verantwortlich sind, lokalisiert und operativ entfernt oder getrennt. Um die anatomische Lage der EZ und die Nähe mit möglichen kortikalen und subkortikalen eloquent Bereiche zu definieren, eine Reihe von nicht-invasive Werkzeuge zur Verfügung: Analyse der Anfallssemiologie, Video-EEG-Aufnahmen Kopfhaut (iktale und interiktalen Aufnahmen), neuropsychologische Tests , Magnetenzephalographie (MEG) und MRT 2. Wenn die nicht-invasive Daten nicht ausreichen, um precisel isty definieren die Lage des hypothetischen EZ, wenn der Verdacht besteht, der frühzeitigen Einbeziehung der eloquenten kortikalen und subkortikalen Gebieten oder, wenn es die Möglichkeit für Multi-fokalen Anfällen, kann chronische invasive Überwachung erforderlich 3,4 werden.

Methoden der chronischen invasive Überwachung für die Festlegung der Lage und Grenzen eines EZ kann subduralen Grids und Streifen, mit Elektroden, die auf die Gehirnoberfläche platziert und Stereo-Elektroenzephalographie (SEEG), wenn mehrere Tiefenelektroden im Gehirn in einer drei platziert sind dimensionale Mode. Subdurale Hirn Aufnahmen wurden zunächst im Jahr 1939 gemeldet, wenn Penfield und Kollegen verwendeten epidurale einzigen Kontaktelektroden bei einem Patienten mit einem alten linken Schläfen-parietalen Fraktur und deren pneumoencephalography offen diffuse Hirnatrophie 5. Anschließend wird die Verwendung von subduralen Grid-Arrays immer beliebter wurde nach mehreren Publikationen in den 1980er Jahren zeigten ihreSicherheit und Wirksamkeit 6. Die SEEG Methode entwickelt und in den 50er Jahren in Frankreich von Jean Tailarach und Jean Bancaud populär und wurde vor allem in Frankreich und Italien als die Methode der Wahl für invasive Abbildung in feuerfesten fokalen Epilepsie 7-9 verwendet.

Das Prinzip der SEEG auf anatomisch-elektro-klinische Zusammenhänge, die als Hauptprinzip innerhalb des Gehirns in Korrelation mit Anfallssemiologie nimmt den 3-dimensionalen Raum-Zeit-Organisation des epileptischen Entladung basiert. Die Implantation Strategie ist individualisiert, mit Elektrodenplatzierung auf der Grundlage einer Präimplantationsdiagnostik Hypothese, dass berücksichtigt die primäre Organisation der epileptischen Aktivität und die hypothetische epileptischen Netzwerk in der Verbreitung von Anfällen beteiligt. Nach mehreren europäischen und nordamerikanischen jüngsten Berichte, SEEG Methodik ermöglicht präzise Aufnahmen aus tiefen kortikalen und subkortikalen Strukturen, mehrere nicht zusammenhängende lobes, und bilateralen Erkundungen unter Vermeidung der Notwendigkeit für große Kraniotomien 10-15. Danach werden die postoperative Bilder aufgenommen, um die genaue anatomische Lage der implantierten Elektroden zu erhalten. Anschließend wird eine Überwachungszeit beginnt, in der Patienten bleiben in der Klinik für einen Zeitraum von 1 bis 4 Wochen, um interiktalen und iktale Aktivitäten von den implantierten Elektroden aufzeichnen. Dieser Beobachtungszeitraum ist ein günstiger Zeitpunkt für die Untersuchung der Gehirnfunktion mit ereignisbezogenen SEEG-Analyse, da es keine zusätzliche Risiko und der Patient in der Regel sieht die Studie als eine willkommene Atempause von der weltlichen Überwachungszeitraum. Die Aufnahmen erhielt von intrakraniellen Elektroden nicht nur wichtig für eine bessere Bewertung und Betreuung von Epilepsie-Patienten sind, sondern zusätzlich bieten die außergewöhnliche Gelegenheit, die menschliche Hirnaktivität während der Verhaltensparadigmen zu untersuchen.

Mehrere Forscher haben bereits die Möglichkeit, Aufnahmen von invasiven studieren realisiertEpilepsie-Patienten. Hill et al. Zur Methodik für die Aufnahme electrocorticographic (ECoG) Signale von Patienten für funktionelle kortikale Mapping 16 berichtet. ECoG Aufnahmen wurden auch auf Kraft-Sprache Kupplung 17 vorgesehen Einsicht. Patienten mit implantierten Tiefenelektroden haben Navigationsaufgaben durchgeführt, um Gehirnschwingungen in Erinnerung zu studieren, lernen 18 und 19 Bewegung. Tiefe Elektrode Aufnahmen wurden auch verwendet, um Paradigmen bei sonst unerreichbar zeitlicher Auflösung zu studieren, wie Hippocampus hervorgerufen Aktivität 20, neuronale Aktivität in der Standard-Netzwerk-Modus-21 und dem zeitlichen Verlauf der emotionalen Verarbeitung 22. Hudry et al untersuchten Patienten mit Temporallappen-Epilepsie, die SEEG Elektroden für kurzfristige Geruchsreize pass 23 in ihre Amygdala implantiert hatte. Eine andere Gruppe hat einfache Bewegungen der Gliedmaßen wie Hand Flexion oder einseitige Bewegung der Hand oder Fuß in gesunden brai studierten Webseiten, die Epilepsie-Patienten mit implantierten SEEG 24,25.

Die oben beschriebenen Studien sind eine kleine Auswahl aus einem sehr vielfältige Sammlung von einschlägigen Literatur. Es besteht eine unüberwindbare Potenzial zu lernen und zu verstehen, wie das menschliche Gehirn arbeitet mit einer Kombination aus Verhaltens Aufgaben und intrakranielle Aufnahmen. Zwar gibt es andere Methoden zur Erreichung dieses Ziels, intrakranielle Aufnahmen besitzen mehrere Vorteile, darunter hohe zeitliche und räumliche Auflösung sowie Zugang zu tieferen Strukturen. Die Autoren wollen die allgemeine Methode für die Aufnahme von Patienten mit intrakraniellen Elektroden während Verhaltens Aufgaben zu beschreiben. Es gibt jedoch mehrere Abschreckung und Hindernisse erfolgreichen Abschluss der klinischen Forschung in betreuten Patienten. Einschränkungen, verwirrende Effekte, und die Bedeutung dieser Forschung wird auch erkannt und erforscht werden.

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Protokoll

Alle Aufgaben wurden nach einer auf die Institutional Review Board (IRB) von der Cleveland Clinic Foundation eingereicht genehmigten Protokoll durchgeführt. Eine Einwilligung Verfahren wurde mit jedem Patienten vor allen Forschungsaktivitäten durchgeführt. In diesem Beispiel wird ein Thema, das Kriterium, das Stereo-Studie-Elektroenzephalographie erfüllt hatte (SEEG) Elektroden für Beschlagnahme implantiert wird gewählt. Das Projekt wurde mit dem Thema diskutiert und sie zugestimmt haben, sich zu beteiligen.

1. Patientenrekrutierung

  1. Bewerten Patienten mit refraktärer Epilepsie als Gegenleistung für intrakranielle Elektrodenimplantation. Wenn der Patient ein guter Kandidat für die invasive Chirurgie, Analyse des Patienten MRI, PET und MEG zusammen mit dem Anfall Pathologie, um die Platzierung der Elektroden zu optimieren. Eine klinische Team führt alle Auswertungen und keine Entscheidungen zu Forschungszwecken hergestellt. .
  2. Identifizieren geeignete Patienten für die Studie subsequent um die Bewertung für die Implantation und überprüfen Sie die Patienten nach genehmigten IRB-Protokoll auf der Basis der Inklusion / Exklusion Kriterien.
    HINWEIS: Es ist im besten Interesse des Patienten, Patienten mit einer Aura in den Einschlusskriterien beinhalten. Patienten mit Aura sind in der Lage, um die Forscher, dass sie über einen Anfall haben, sind zu melden; geben den Forschern und Patienten Zeit, um die notwendigen Vorkehrungen zu treffen (durch Drücken der Alarmbeschlagnahme, um die klinische Personal informieren und ziehen Sie alle Geräte aus dem Weg). Wenn Probanden rekrutiert, die nicht über eine Aura, sicherzustellen, dass die Patienten-Eingabegeräte können leicht aus dem Patientenbereich und entfernt werden das Personal ist jedoch bewusst, Forschungsausrüstung und Protokoll.
  3. Erhalten Einwilligung vor allen Forschungsaktivitäten in Übereinstimmung mit der IRB. Während der informierten Einwilligung, erklären die Forschung, betonte, dass die Teilnahme ist absolut freiwillig und werden in keiner Weise Auswirkungen auf die Patienten der klinischen Versorgung. In den meisten Fällen gibt es is kein direkter Nutzen für den Patienten und deren Bereitschaft zur Teilnahme ist altruistisch.
  4. Halten die Achtung der Rechte des Patienten und Privatsphäre zu jeder Zeit. Erinnern Sie die Patienten, die ihre Informationen werden anonym und vertraulich behandelt werden, und sie kann die Teilnahme an der Studie jederzeit unter keine Rolle einzustellen.
  5. Lassen Sie den Patienten unterschreiben und datieren die informierte Zustimmung, wenn er oder sie versteht und stimmt zu, an der Studie teilzunehmen. Lassen Sie eine Kopie wird mit dem Patienten zu überprüfen links; sollten sie Fragen haben oder Bedenken ermutigen die Patienten, die PI zu kontaktieren.

2. Verhalten System Set-up

  1. Bevor Sie das Gerät in den Raum, stellen Sie sicher, dass genügend Platz im Zimmer des Patienten, sowie den Zugang zu den notwendigen Steckdosen (2).
  2. Überprüfen Sie, dass alle Geräte und Leitungen sind bereit, den Aufbau zu beschleunigen. Das Verhaltenssystem umfasst ein von der FDA genehmigt Roboterarm (die den Gegenstand Fortsetzung erlaubtrol ein Cursor während der Aufgabe), ein Laptop-Computer, um das Verhaltensprogramm, einen Monitor zum Darstellen der Aufgabe Impulse und ein Datenerfassungssystem, um die elektrophysiologischen und Verhaltensdaten speichern, zu steuern.
    HINWEIS: Nehmen Sie die notwendigen Änderungen auf die spezifischen Bedürfnisse der eigenen Forschung zu erfüllen. Zum Beispiel, verwenden Sie eine Taste Feld für den Patienten-Schnittstelle statt des Roboterarms.
  3. Wenn der Patient wird derzeit nicht in geeigneter, um die Aufgabe abzuschließen, helfen den Patienten an einen Liegestuhl (oder Bett) mit Waffen positioniert, sollten sie einen Anfall.
    HINWEIS: Es ist eine gute Idee, das Studiendesign, Ausrüstung, etc. mit allen Mitgliedern der Überwachungseinheit zu diskutieren, um sie von dem, was vor sich geht, wie die Gruppe wird mit den Patienten interagieren zu informieren und eventuelle Fragen, die kann entstehen.
  4. Wenn der Patient bereit ist, bringen die Verhaltenssystem in den Raum und beginnen Booten des Systems und Verhaltens Roboterarm.
  5. Schließen Sie die Digital Veranstaltung marker Ausgabe von dem Verhaltens Computer die Zwischenkanäle der elektroErfassungsSystem, um die aufgezeichneten Zeit zu sperren SEEG Signale mit Verhaltensereignismarkierungen.
    HINWEIS: In diesem Zentrum gibt es eine für Forschungszwecke, die nicht mit der klinischen Erfassungssystem stört bezeichnet separaten elektrophysiologische Erfassungssystem. Es ist jedoch möglich, die klinische Erfassungssystem durch die Zusammenarbeit mit dem entsprechenden Personal zu verwenden. Alle Anstrengungen sollten unternommen werden, um die klinische nicht stören Erwerb werden.
  6. Kalibrieren Sie den Roboter-Arm und positionieren Sie es, so dass die Bewegungsfreiheit ist angenehm für den Patienten. Bei Verwendung eines anderen Schnittstellengerät, stellen Sie sicher, dass das Gerät ordnungsgemäß funktioniert und ist komfortabel positioniert für das Thema zu nutzen.
  7. Während der Verwendung des Roboterarms, sicherzustellen, dass die Not-Aus-Tasten, die die Forscher in der gesamten Verhaltens Aufgabe leicht zugänglich sind. Im Falle einer Pfändung, ist die Not-Aus-Tastegedrückt und das Gerät von dem Patienten weg gezogen, so dass sie sich nicht schädigen. Darüber hinaus nutzen wir nicht die Klettverschlüsse, die mit dem Robotersystem zu kommen, um die Entfernung aus dem Patienten im Falle einer Beschlagnahme erfolgt zu erleichtern.
    HINWEIS: In diesem Beispiel wird die parallele Schnittstelle des Verhaltens rig zu dem digitalen Eingangsanschluß des Erfassungssystems mit einem Parallelport-Kabel verbunden. Zusätzliche analoge Signale wie die x-y-Position der Roboterarm gleichzeitig aufgezeichnet werden.

3. Verhaltens Aufgabe

  1. Erklären Sie die Aufgabe, den Patienten nach Abschluss der Bohranlage gesetzt und die Kalibrierung der Schnittstelleneinrichtung.
  2. Verwenden Sie einen Verhaltens Aufgabe ähnlich dem Kinder-Kartenspiel von "Krieg". Fragen Sie den Patienten, um Einsätze, ob ihre Karte größer als Karte des Computers ist zu machen. Die Wahl der Wetteinsatz ist auf die Patienten "Wahrnehmung des relativen Wert ihrer Karte basiert. Vereinfachen Sie die tFragen für die anschließende Analyse, nur mit Karten von einer Farbe und die Begrenzung der Deck auf die 2, 4, 6, 8, und 10 nummerierten Karten.
  3. Zeigen eine Fixierung Cue auf dem Bildschirm für 350 ms. Sicherstellen, dass der Patient hält den Cursor über die Fixationsmarke, um die Aufgabe zu starten.
  4. Zeigen Sie der Reiz für 1000 ms. Damit der Patient seine Karte mit Karte des Computers zu sehen, daneben Gesicht nach unten.
  5. Nach dem Verschwinden Karten zeigen eine Go-Cue (<5.000 ms) Anzeige zwei Möglichkeiten, Befragung des Patienten zu wetten, entweder $ 5 oder $ 20, basierend auf ihrer Karte. Fragen Sie den Patienten, um die Wette, indem Sie den Cursor mit den Roboterarm, über ihre gewählten Wette zu platzieren. Zufällig die Wette Position von Versuch zu Versuch auf keinen Schwerpunkt, basierend auf Position zu gewährleisten.
  6. Nachdem die Wette ausgewählt wurde, bemerken eine 250-500 ms Verzögerung (leerer Bildschirm), gefolgt von der Offenbarung des Karte des Computers (1.000 - 1.250 ms). Beachten Sie das Ergebnis (1.000 ms), ob die Studie war ein Sieg, verlieren oder zeichnen undwie viel gewonnen oder verloren wurde.
  7. Lassen Sie den Patienten üben, bis sie Vertrauen in ihre Leistung und haben keine Fragen.

4. Datenerfassung

  1. Notieren Sie sich die Daten, wenn der Patient bereit ist, und überprüfen Sie, dass die Einstellungen auf die Forschung (oder klinische) Erfassungssystem geeignet ausgewählt.
  2. Schalten Sie die Raumbeleuchtung und TV, um die Hintergrundgeräusche auf ein Minimum während der Aufnahme zu halten. Außerdem bitten Sie den Patienten, von Verhaltensweisen wie Klopfen ihren Fuß, im Gespräch oder ihre Beine schütteln verzichten.
  3. Beginnen die Aufgabe, und notieren Sie den Patienten die Durchführung der Aufgabe. Bitten Sie das Motiv, um die Aufgabe für 30 min durchzuführen. Die Abtastrate der Roboterarm-System beträgt 1 kHz, und dass der SEEG Aufzeichnungssystem 2 KHz.
    HINWEIS: Diese Dauer kann für andere Paradigmen sein.

5. Datenanalyse

  1. Erstens, de-identifiziert die aufgezeichneten Daten SEEG um sicherzustellen, dass Informa des Patientention vertraulich bleibt und dass seine / ihre Daten werden anonym eingereicht.
  2. Erhalten die Koordinaten der Elektrodenpositionen aus der postoperativen CT und MRT präoperativ.
  3. Richten Sie die neurophysiologischen Aufnahmen mit der digitalen Zeitstempel der Interessen von der Verhaltensaufgabe.
  4. Gelten Signalanalyse Methoden, um das Ereignis abhängig Hirnaktivität Modulation zu analysieren.
    HINWEIS: In dieser Studie wurde die spektrale Leistungsdichte (PSD) der Veranstaltung im Zusammenhang SEEG Signale berechnet Chronux Multitaper Toolbox 26,27. Jede Testdaten wurden mit Bezug auf das jeweilige Ereignis (Zeit Null) ausgerichtet ist, und die berechnete PSD in jedem Frequenz-Bin in Bezug auf die Grundlinie PSD normalisiert.

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Ergebnisse

In diesen Ergebnissen stellen wir die Analyse der Daten aus der SEEG limbischen Systems in einem Fach die Wiedergabe der Kriegs Aufgabe gefangen genommen. Wir können zeigen, dass verschiedene Aspekte der Aufgabenkrieg hervorrufen signifikanten Gamma-Band (40 bis 150 Hz) Modulation im limbischen System (Abbildung 1). Wie unabhängig von der Aufgabe Notfall gesehen, in der Sehrinde, die Präsentation eines Objekts auf dem Bildschirm führt zu einer schnellen Latenz (~ 200 ms) Breitband Antwort. Darüber hinau...

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Diskussion

Hier haben wir ein Verfahren zur Durchführung elektrophysiologischer intrakraniellen Studien am Menschen, wie sie in einem Verhaltens Aufgabe engagieren vorgestellt. Diese Methodik und ihre einfache Permutationen sind wichtig für das Studium der menschlichen Bewegung und Kognition. Während es existiert von Natur-und Nachteile für jede Technik, die Aufnahme von Hirnelektroden hat Vorteile gegenüber anderen elektrophysiologischen und bildgebenden Verfahren. Zwei der wichtigsten Vorteile sind die Möglichkeit, qualitativ ho...

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Offenlegungen

Die Autoren haben keine Konflikte offen zu legen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von EFRI-MC3 unterstützt: # 1137237 zu SVS und JTG ausgezeichnet

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
InMotion ARMInteractive Motion TechnologiesInMotion Armhttp://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/
Geräte, die unser Labor verwendet hat, können andere Geräte zur Datenerfassung verwenden
MATLABMathworks IncMATLABhttp://www.mathworks.com/
Version r2007b oder höher erforderlich, um Monkeylogic
Data Acquisition Toolboxauszuführen Mathworks IncData Acquisition Toolboxhttp://www.mathworks.com/products/daq/
Muss Monkeylogic
Image Processing ToolboxMathworks Inc ausführenImage Processing Toolboxhttp://www.mathworks.com/products/image/
Muss Monkeylogic ausführen Monkeylogic
Wael Asaad und David FreedmanMonkeylogichttp://www.brown.edu/Research/monkeylogic/
Kostenloser Download, MATLAB muss vorhanden sein, um Chronux ausführen zu können
 Medametrics, LLC Data Processing Toolboxhttp://www.chronux.org/
BrainstormMEG/EEG Analysis Applicationhttp://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
LaptopDellLatitude E5530http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd? ST=Dell%20Breitengrad%20E5530& dgc=ST& cid=263756& lid=4781504& acd=12309152537461010NI-Karte
National InstrumentsNI USB-6008<a href="http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986">http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986
12-Bit, 10 kS/sec Kostengünstiges Multifunktions-Datenerfassungssystem

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